HINTERGRUNDBACKGROUND
Eine Schlüsselkomponente in einer Halbleiteranwendung ist ein Festkörperschalter. Beispielhafte Festkörperschalter sind aus den Druckschriften US 8 637 388 B2 , US 2007 / 0 267 700 A1 , US 2005 / 0 077 577 A1 , DE 22 26 613 A , DE 10 2004 011 703 A1 und US 2012 / 0 049 187 A1 bekannt. Als ein Beispiel schalten Schalter Lasten von Automobil-Anwendungen oder industriellen Anwendungen ein und aus. Festkörperschalter umfassen typischerweise beispielsweise Feldeffekttransistoren (FETs), wie Metall-Oxid-Halbleiter-FETs (MOSFETs) oder Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs).A key component in a semiconductor application is a solid state switch. Exemplary solid-state switches are from the documents US 8 637 388 B2 . US 2007/0 267 700 A1 . US 2005/0 077 577 A1 . DE 22 26 613 A . DE 10 2004 011 703 A1 and US 2012/0 049 187 A1 known. As an example, switches on and off loads of automotive applications or industrial applications. Solid state switches typically include, for example, field effect transistors (FETs), such as metal oxide semiconductor FETs (MOSFETs) or insulated gate bipolar transistors (IGBTs).
Bei diesen Anwendungen kann eine Schädigung eines Gatedielektrikums zwischen Gate und Source der Transistoren durch ein elektrostatisches Entladungsereignis zwischen einem Gatekontaktgebiet und einem Sourcekontaktgebiet der Halbleitervorrichtung verursacht sein. Um das Gatedielektrikum vor einem elektrostatischen Entladungsereignis zu schützen, sind elektrostatische Entladungs-(ESD-)Schutzstrukturen vorgesehen, die beispielsweise die Transistoren vor einer elektrostatischen Entladung während eines Zusammenbaus oder Betriebs schützen. Diese ESD-Schutzstrukturen erfordern ein nichtvernachlässigbares Gebiet bzw. eine nicht-vernachlässigbare Fläche innerhalb der integrierten Halbleitervorrichtung.In these applications, damage to a gate dielectric between the gate and source of the transistors may be caused by an electrostatic discharge event between a gate contact region and a source contact region of the semiconductor device. In order to protect the gate dielectric from an electrostatic discharge event, electrostatic discharge (ESD) protection structures are provided which protect, for example, the transistors from electrostatic discharge during assembly or operation. These ESD protection structures require a non-negligible area or non-negligible area within the integrated semiconductor device.
Es ist weiterhin bevorzugt, das thermoelektrisch sichere Betriebsgebiet einer ESD-Struktur zu vergrößern, um eine vorbestimmte elektrostatische Entladungsrobustheit zu erzielen, während gleichzeitig ein reduzierter Flächenverbrauch der ESD-Schutzstruktur vorliegt.It is further preferred to increase the thermoelectrically safe operating region of an ESD structure in order to achieve a predetermined electrostatic discharge robustness, while at the same time having a reduced area consumption of the ESD protective structure.
Es ist somit wünschenswert, eine Halbleitervorrichtungsstruktur mit gesteigertem ESD-Schutz und thermischen Eigenschaften vorzusehen, während gleichzeitig eine optimierte Flächeneffizienz vorhanden ist.It is thus desirable to provide a semiconductor device structure with enhanced ESD protection and thermal properties while providing optimized area efficiency.
ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY
Das obige Problem wird gelöst durch die Lehren der unabhängigen Patentansprüche. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.The above problem is solved by the teachings of the independent claims. Further embodiments are defined in the dependent claims.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel einer Halbleitervorrichtung umfasst diese einen Halbleiterkörper, der eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche entgegengesetzt zu der ersten Oberfläche hat. Die Halbleitervorrichtung umfasst weiterhin eine erste Isolationsschicht auf der ersten Oberfläche des Halbleiterkörpers und eine elektrostatische Entladungsschutzstruktur auf der ersten Isolationsschicht. Die elektrostatische Entladungsschutzstruktur hat einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss. Die Halbleitervorrichtung umfasst weiterhin eine Wärmeverbrauchs- bzw. -ableitungsstruktur, die ein erstes Ende in Kontakt mit der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur und ein zweites Ende, das in direktem Kontakt mit einem elektrisch isolierenden Bereich ist, hat. Die elektrostatische Entladungsschutzstruktur umfasst auf der ersten Isolationsschicht eine Polysiliziumschicht, die erste und zweite Bereiche eines entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps hat, die abwechselnd längs einer lateralen Richtung angeordnet sind. Die Wärmeverbrauchsstruktur umfasst wenigstens ein oder mehrere Wärmeverbrauchselemente, die elektrisch voneinander isoliert und jeweils in Kontakt mit lediglich einem der ersten und zweiten Bereiche sind. Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der begleitenden Zeichnungen erkennen.According to an embodiment of a semiconductor device, this includes a semiconductor body having a first surface and a second surface opposite to the first surface. The semiconductor device further comprises a first insulation layer on the first surface of the semiconductor body and an electrostatic discharge protection structure on the first insulation layer. The electrostatic discharge protection structure has a first terminal and a second terminal. The semiconductor device further includes a heat dissipation structure having a first end in contact with the electrostatic discharge protection structure and a second end in direct contact with an electrically insulating region. The electrostatic discharge protection structure includes on the first insulation layer a polysilicon layer having first and second regions of opposite conductivity type arranged alternately along a lateral direction. The heat-consuming structure comprises at least one or more heat-consuming elements that are electrically isolated from each other and each in contact with only one of the first and second regions. Those skilled in the art will recognize additional features and advantages after reading the following detailed description and considering the accompanying drawings.
Figurenlistelist of figures
Die begleitenden Zeichnungen sind beigeschlossen, um ein weiteres Verständnis der Erfindung zu liefern, und sie sind in die Offenbarung der Erfindung einbezogen und bilden einen Teil von dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern von Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung und beabsichtigte Vorteile werden sofort gewürdigt, da sie unter Hinweis auf die folgende Detailbeschreibung besser verstanden werden.
- 1 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
- 2A und 2B sind schematische Draufsichten eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
- 3 und 4 sind schematische Schnittdarstellungen eines Teiles einer Halbleitervorrichtung, geführt längs einer Schnittebene A-A' von 2A oder 2B, gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
- 5A bis 5C sind schematische Schnittdarstellungen eines Teiles einer Halbleitervorrichtung, geführt längs einer Schnittebene A-A' von 2A oder 2B, gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
The accompanying drawings are included to provide a further understanding of the invention, and are incorporated in and constitute a part of this disclosure. The drawings illustrate the embodiments of the present invention and, together with the description, serve to explain principles of the invention. Other embodiments of the invention and intended advantages will be readily appreciated as they become better understood by reference to the following detailed description. - 1 FIG. 12 is a schematic sectional view of a part of a semiconductor device according to an embodiment. FIG.
- 2A and 2 B FIG. 15 are schematic plan views of a part of a semiconductor device according to various embodiments. FIG.
- 3 and 4 Fig. 2 are schematic sectional views of a part of a semiconductor device, taken along a sectional plane A-A ' from 2A or 2 B , according to various embodiments.
- 5A to 5C Fig. 2 are schematic sectional views of a part of a semiconductor device, taken along a sectional plane A-A ' from 2A or 2 B , according to various embodiments.
DETAILBESCHREIBUNGLONG DESCRIPTION
In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen für Veranschaulichungszwecke spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgebildet werden kann. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die für ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht oder beschrieben sind, bei oder im Zusammenhang mit anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden, um zu noch einem weiteren Ausführungsbeispiel zu gelangen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen einschließt. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich für Veranschaulichungszwecke. Zur Klarheit sind die gleichen Elemente durch entsprechende Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen versehen, falls nicht etwas anderes festgestellt wird.In the following detailed description, reference is made to the accompanying drawings, in which which form part of the disclosure and which, for purposes of illustration, illustrate specific embodiments in which the invention may be practiced. It is to be understood that other embodiments may be utilized and structural or logical changes may be made without departing from the scope of the present invention. For example, features illustrated or described for one embodiment may be used in or in connection with other embodiments to yield yet a further embodiment. It is intended that the present invention include such modifications and changes. The drawings are not to scale and are for illustration purposes only. For clarity, the same elements are indicated by corresponding reference numerals in the various drawings unless otherwise stated.
Die Begriffe „haben“, „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ und ähnliche Begriffe sind offene Begriffe, und diese Begriffe geben das Vorhandensein der festgestellten Strukturen, Elemente oder Merkmale an, schließen jedoch zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht aus. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel sollen sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, falls sich aus dem Zusammenhang nicht klar etwas anderes ergibt.The terms "have," "include," "include," "have," and similar terms are open-ended terms, and these terms indicate the presence of the identified structures, elements, or features, but do not exclude additional elements or features. The indefinite articles and the definite articles shall include both the plural and the singular, unless the context clearly dictates otherwise.
Der Begriff „elektrisch verbunden“ beschreibt eine permanente niederohmige Verbindung zwischen elektrisch verbundenen Elementen, beispielsweise einen direkten Kontakt zwischen den betreffenden Elementen oder eine niederohmige Verbindung über ein Metall und/oder einen hochdotierten Halbleiter. Der Begriff „elektrisch gekoppelt“ umfasst, dass ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente, die für eine Signalübertragung geeignet sind, zwischen den elektrisch gekoppelten Elementen vorgesehen sein können, beispielsweise Widerstände, resistive Elemente oder Elemente, die steuerbar sind, um zeitweise eine niederohmige Verbindung in einen ersten Zustand und eine hochohmige elektrische Entkopplung in einem zweiten Zustand herzustellen.The term "electrically connected" describes a permanent low-resistance connection between electrically connected elements, for example a direct contact between the relevant elements or a low-resistance connection via a metal and / or a heavily doped semiconductor. The term "electrically coupled" includes that one or more intermediate elements suitable for signal transmission may be provided between the electrically coupled elements, for example, resistors, resistive elements, or elements that are controllable to temporarily connect a low-resistance connection to one produce first state and a high-impedance electrical decoupling in a second state.
Die Figuren veranschaulichen relative Dotierungskonzentrationen durch Angabe von „-“ oder „+“ nächst zu dem Dotierungstyp „n“ oder „p“. Beispielsweise bedeutet „n-“ eine Dotierungskonzentration, die niedriger als die Dotierungskonzentration eines „n“-Dotierungsbereiches ist, während ein „n+“-Dotierungsbereich eine höhere Dotierungskonzentration hat als ein „n“-Dotierungsbereich. Dotierungsbereiche der gleichen relativen Dotierungskonzentration haben nicht notwendigerweise die gleiche absolute Dotierungskonzentration. Beispielsweise können zwei verschiedene „n“-Dotierungsbereiche die gleichen oder verschiedene absolute Dotierungskonzentrationen haben.The figures illustrate relative doping concentrations by indicating " - " or " + " next to the doping type "n" or "p". For example, "n - " means a doping concentration lower than the doping concentration of an "n" -doping region, while an "n + " -doping region has a higher doping concentration than an "n" -doping region. Doping regions of the same relative doping concentration do not necessarily have the same absolute doping concentration. For example, two different "n" doping regions may have the same or different absolute doping concentrations.
1 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Halbleitervorrichtung 10 umfasst einen Halbleiterkörper 100 mit einer ersten Oberfläche 101 und einer zweiten Oberfläche 102 entgegengesetzt zu der ersten Oberfläche 101. Die Halbleitervorrichtung 10 umfasst weiterhin eine erste Isolationsschicht 200 auf der ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 und eine elektrostatische Entladungsschutzstruktur 310 auf der ersten Isolationsschicht 200. Die elektrostatische Entladungsschutzstruktur 310 hat einen ersten Anschluss 312 und einen zweiten Anschluss 314. Die Halbleitervorrichtung umfasst weiterhin eine Wärmeverbrauchsstruktur bzw. Wärmeabfuhrstruktur 700, die ein erstes Ende 701 in Kontakt mit der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 und ein zweites Ende 702, das in direktem Kontakt mit einem elektrisch isolierendem Bereich ist, hat. 1 is a schematic sectional view of a part of a semiconductor device 10 according to an embodiment. The semiconductor device 10 comprises a semiconductor body 100 with a first surface 101 and a second surface 102 opposite to the first surface 101 , The semiconductor device 10 further comprises a first insulation layer 200 on the first surface 101 of the semiconductor body 100 and an electrostatic discharge protection structure 310 on the first insulation layer 200 , The electrostatic discharge protection structure 310 has a first connection 312 and a second connection 314 , The semiconductor device further includes a heat dissipation structure 700 that's a first end 701 in contact with the electrostatic discharge protection structure 310 and a second end 702 which is in direct contact with an electrically insulating area has.
Die Halbleitervorrichtung 10 kann Leistungshalbleiterelemente, wie IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate), z.B. RC-IGBTs (rückwärts leitende IGBTs), RB-IGBTs (rückwärts sperrende IGBTs) und IGFETs (Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate) einschließlich MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) aufweisen. Die Halbleitervorrichtung 10 kann auch einen Superübergang- bzw. Superjunctiontransistor, einen Graben- bzw. Trenchfeldeffekttransistor oder irgendeine weitere Transistorvorrichtung umfassen, die einen Laststrom über einen Steueranschluss steuert.The semiconductor device 10 For example, power semiconductor elements such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) such as RC-IGBTs, RB-IGBTs, and insulated gate field effect transistors including MOSFETs may be used , The semiconductor device 10 may also include a superjunction transistor, a trench field effect transistor, or any other transistor device that controls a load current through a control terminal.
Wenn die Chipabmessung bzw. -größe der Halbleitervorrichtung 10 reduziert wird, resultiert eine kleinere Eingangskapazität in einer gesteigerten Gefahr einer durch ein elektrostatisches Entladungsereignis zwischen dem Gate und der Source der Halbleitervorrichtung 10 verursachten Schädigung. Somit kann die elektrostatische Entladungsschutzstruktur 310 auf das Leistungshalbleiterelement angewandt werden, um ein Gatedielektrikum zwischen einem Gate und Source eines Transistors vor einer Schädigung durch Abführen bzw. Verbrauchen von Energie zu schützen, die durch ein elektrostatisches Entladungsereignis zwischen einem Gatekontaktgebiet und einem Sourcekontaktgebiet verursacht ist.When the chip size of the semiconductor device 10 is reduced, a smaller input capacitance results in an increased risk of electrostatic discharge event between the gate and the source of the semiconductor device 10 caused damage. Thus, the electrostatic discharge protection structure 310 be applied to the power semiconductor element to protect a gate dielectric between a gate and source of a transistor from damage by dissipating energy caused by an electrostatic discharge event between a gate contact region and a source contact region.
Die 2A und 2B sind schematische Draufsichten von Teilen einer Halbleitervorrichtung 10 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen. Wie in 2A gezeigt ist, ist eine erste Elektrode 500 in einem Randbereich der Halbleitervorrichtung 10 vorgesehen und kann als das Gatekontaktgebiet wirken, das ein Gatepad bzw. -kissen umfassen kann. Das Gatepad kann verwendet werden, um einen Bond- oder Lotkontakt zu der ersten Elektrode 500 vorzusehen, die mit einer externen Vorrichtung oder einem externen Element zu verbinden ist. Eine zweite Elektrode 600 ist nächst zu der ersten Elektrode 500 angeordnet und kann als das Sourcekontaktgebiet wirken, durch welches die Sourcezonen der Transistorzellen in dem Halbleiterkörper 100 kontaktiert sind.The 2A and 2 B FIG. 15 are schematic plan views of parts of a semiconductor device. FIG 10 according to various embodiments. As in 2A is shown is a first electrode 500 in an edge region of the semiconductor device 10 and may act as the gate contact region, which may include a gate pad. The gate pad may be used to make a bonding or solder contact to the first electrode 500 to be connected to an external device or an external element. A second electrode 600 is next to the first electrode 500 and may act as the source contact region through which the source zones of the transistor cells in the semiconductor body 100 are contacted.
Wenn die Halbleitervorrichtung 10 als Leistungshalbleiterelement gebildet ist, kann eine resultierende Dicke der Metallisierung der ersten Elektrode 500 und der zweiten Elektrode 600 in einem Bereich von 1 µm bis 10 µm oder 3 µm bis 7 µm sein, und die erste Elektrode 500 und die zweite Elektrode 600 können durch einen Mindestabschnitt B in einem Bereich von 5 µm bis 20 µm oder 10 µm bis 15 µm getrennt sein. Wie in 2B gezeigt ist, kann die erste Elektrode 500 auch in einem Mittelteil der Halbleitervorrichtung 10 angeordnet sein, wobei die Sourceelektrode 600 die erste Elektrode 500 umrundet bzw. umgibt. Mögliche Lagen bzw. Stellen der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 710 sind durch Strichlinien angedeutet, wobei die angegebenen Plätze lediglich beispielhaft sind und nicht als begrenzend verstanden werden sollen.When the semiconductor device 10 As a power semiconductor element is formed, a resulting thickness of the metallization of the first electrode 500 and the second electrode 600 in a range of 1 μm to 10 μm or 3 μm to 7 μm, and the first electrode 500 and the second electrode 600 can be separated by a minimum section B in a range of 5 microns to 20 microns or 10 microns to 15 microns. As in 2 B is shown, the first electrode 500 also in a middle part of the semiconductor device 10 be arranged, wherein the source electrode 600 the first electrode 500 surrounds or surrounds. Possible positions of the electrostatic discharge protection structure 710 are indicated by dashed lines, the specified places are merely exemplary and should not be construed as limiting.
3 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles der Halbleitervorrichtung 10, geführt längs einer Schnittebene A-A' von 2A oder 2B, gemäß einem Ausführungsbeispiel. 3 FIG. 12 is a schematic sectional view of a part of the semiconductor device. FIG 10 , guided along a cutting plane A-A ' from 2A or 2 B , according to an embodiment.
Der Halbleiterkörper 100 kann aus einem einkristallinen Halbleitermaterial vorgesehen sein, beispielsweise Silizium Si, Siliziumcarbid SiC, Germanium Ge, einem Silizium-Germanium-Kristall SiGe, Galliumnitrid GaN oder Galliumarsenid GaAs. Ein Abstand zwischen den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 ist gewählt, um eine spezifizierte Spannungssperrfähigkeit zu erzielen, und kann wenigstens 20 µm, beispielsweise wenigstens 50 µm, sein. Andere Ausführungsbeispiele können Halbleiterkörper 100 mit einer Dicke von einigen 100 µm vorsehen. Der Halbleiterkörper 100 kann eine rechteckförmige Gestalt mit einer Randlänge in dem Bereich von einigen Millimetern haben. Die Normale zu den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 definiert eine vertikale Richtung, und Richtungen orthogonal bzw. senkrecht zu der Normalrichtung sind laterale Richtungen.The semiconductor body 100 may be provided of a monocrystalline semiconductor material, for example silicon Si, silicon carbide SiC, germanium Ge, a silicon germanium crystal SiGe, gallium nitride GaN or gallium arsenide GaAs. A distance between the first and second surfaces 101 . 102 is selected to achieve a specified voltage blocking capability and may be at least 20 μm, for example at least 50 μm. Other embodiments may be semiconductor bodies 100 Provide with a thickness of several 100 microns. The semiconductor body 100 may have a rectangular shape with an edge length in the range of several millimeters. The normals to the first and second surfaces 101 . 102 defines a vertical direction, and directions orthogonal to the normal direction are lateral directions.
Die erste Isolationsschicht 200 ist auf der ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 gebildet. Die erste Isolationsschicht 200 kann irgendein Dielektrikum oder eine Kombination von Dielektrika umfassen, die geeignet sind, um den Halbleiterkörper 100 von der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 auf der ersten Isolationsschicht 200 zu isolieren. Die erste Isolationsschicht 200 kann ein Material oder irgendeine Kombination von Materialien aus einem Oxid, Nitrid, Oxynitrid, einem Hoch-k-Material, einem Imid, einem isolierenden Harz oder Glas als Beispiele umfassen. Die erste Isolationsschicht 200 kann ein Felddielektrikum, wie beispielsweise ein Feldoxid und/oder ein Gatedielektrikum, wie beispielsweise ein Gateoxid, umfassen. Die erste Isolationsschicht 200 kann ein Feldoxid umfassen, das beispielsweise durch eine lokale Oxidation eines Silizium-(LOCOS-)Prozesses oder STI (flache Trenchisolation) gebildet ist. Die Dicke des Felddielektrikums der ersten Isolationsschicht 200 kann in einem Bereich von 0,5 µm bis 5 µm oder 1 µm bis 3 µm sein, die Dicke des Gatedielektrikums der ersten Isolationsschicht 200 kann in einem Bereich von 5 nm bis 200 nm oder 40 nm bis 120 nm sein.The first insulation layer 200 is on the first surface 101 of the semiconductor body 100 educated. The first insulation layer 200 may comprise any dielectric or combination of dielectrics suitable for the semiconductor body 100 from the electrostatic discharge protection structure 310 on the first insulation layer 200 to isolate. The first insulation layer 200 may include a material or any combination of materials of an oxide, nitride, oxynitride, a high-k material, an imide, an insulating resin or glass as examples. The first insulation layer 200 may include a field dielectric, such as a field oxide and / or a gate dielectric, such as a gate oxide. The first insulation layer 200 may comprise a field oxide formed, for example, by a local oxidation of a silicon (LOCOS) process or STI (shallow trench isolation). The thickness of the field dielectric of the first insulation layer 200 may be in a range of 0.5 μm to 5 μm or 1 μm to 3 μm, the thickness of the gate dielectric of the first insulating layer 200 may be in a range of 5 nm to 200 nm or 40 nm to 120 nm.
Die zweite Isolationsschicht 400 wird auf der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 und der ersten Isolationsschicht 200 gebildet. Die zweite Isolationsschicht kann Siliziumnitrid umfassen. Die zweite Isolationsschicht 400 kann ein Stapel von einer ersten und einer zweiten dielektrischen Schicht 410 und 420 sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die erste dielektrische Schicht 410 einen Tetraethylorthosilikat-(TEOS-)/undotierten Silikatglas-(USG-)Film umfassen. Die Dicke der ersten dielektrischen Schicht der zweiten Isolationsschicht 400 kann in einem Bereich von 50 nm bis 500 nm sein. Die zweite dielektrische Schicht 420 kann ein Phosphorsilikatglas (PSG) oder ein Borphosphorsilikatglas (BPSG) umfassen. Die Dicke der zweiten dielektrischen Schicht der zweiten Isolationsschicht 400 kann in einem Bereich von 200 nm bis 2 µm sein.The second insulation layer 400 becomes on the electrostatic discharge protection structure 310 and the first insulation layer 200 educated. The second insulating layer may comprise silicon nitride. The second insulation layer 400 may be a stack of a first and a second dielectric layer 410 and 420 his. According to an embodiment, the first dielectric layer 410 a tetraethylorthosilicate (TEOS) / undoped silicate glass (USG) film. The thickness of the first dielectric layer of the second insulating layer 400 may be in a range of 50 nm to 500 nm. The second dielectric layer 420 may include a phosphosilicate glass (PSG) or a borophosphosilicate glass (BPSG). The thickness of the second dielectric layer of the second insulating layer 400 may be in a range of 200 nm to 2 μm.
Die erste Elektrode 500 wird auf der zweiten Isolationsschicht 400 gebildet. Nächst zu der ersten Elektrode 500 wird die zweite Elektrode 600 auf der zweiten Isolationsschicht 400 gebildet, welche von der ersten Elektrode 500 um den Abstand B beabstandet sein kann (siehe auch 2A und 2B). Auf der ersten Elektrode 500 und der zweiten Elektrode 600 wird eine Passivierungsschicht 800 gebildet, die ein Material oder irgendeine Kombination von Materialien aus einem Imid, einem Nitrid, einem Oxid oder einem Oxynitrid als Beispiele umfassen kann.The first electrode 500 is on the second insulation layer 400 educated. Next to the first electrode 500 becomes the second electrode 600 on the second insulation layer 400 formed, which from the first electrode 500 can be spaced by the distance B (see also 2A and 2 B) , On the first electrode 500 and the second electrode 600 becomes a passivation layer 800 which may comprise a material or any combination of materials of an imide, a nitride, an oxide or an oxynitride as examples.
Die erste Elektrode 500 und die zweite Elektrode 600 können getrennte Teile beispielsweise aufgrund eines lithographischen Musterns bzw. Strukturierens einer gemeinsamen Metallverdrahtungsschicht sein, wobei die Halbleitervorrichtung 10 lediglich eine einzige Metallverdrahtungsschicht umfasst. Die erste Elektrode 500 und die zweite Elektrode 600 können als eine Metallschichtstruktur gebildet sein, die als Hauptbestandteil bzw. Hauptbestandteile aus Aluminium Al, Kupfer Cu oder Legierungen von Aluminium oder Kupfer, beispielsweise AlSi, AlCu oder AlSiCu bestehen oder diese Stoffe enthalten kann. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können die erste Elektrode 500 und die zweite Elektrode 600 eine, zwei, drei oder mehr Unterschichten enthalten, wobei jede Unterschicht als einen Hauptbestandteil wenigstens ein Material aus Nickel Ni, Titan Ti, Silber Ag, Gold Au, Wolfram W, Platin Pt, Tantal Ta und Palladium Pd enthält. Beispielsweise kann eine Unterschicht ein Metallnitrid oder eine Metalllegierung enthalten, die Ni, Ti, Ag, Au, W, Pt, Co und/oder Pd enthält.The first electrode 500 and the second electrode 600 may be separate parts, for example, due to lithographic patterning of a common metal wiring layer, wherein the semiconductor device 10 comprises only a single metal wiring layer. The first electrode 500 and the second electrode 600 may be formed as a metal layer structure which may consist of or may contain as main constituent of aluminum Al, copper Cu or alloys of aluminum or copper, for example AlSi, AlCu or AlSiCu. According to other embodiments, the first electrode 500 and the second electrode 600 contain one, two, three or more sublayers, wherein each subbing layer contains as a main component at least one of nickel Ni, titanium Ti, silver Ag, gold Au, tungsten W, platinum Pt, tantalum Ta and palladium Pd. For example, a subbing layer may include a metal nitride or a metal alloy containing Ni, Ti, Ag, Au, W, Pt, Co, and / or Pd.
Die elektrostatische Entladungsschutzstruktur 310 kann eine Reihenverbindung von wenigstens einer Polysiliziumdiode umfassen. Wie in 3 gezeigt ist, kann die elektrostatische Entladungsschutzstruktur 310 eine Polysiliziumschicht 300 auf der ersten Isolationsschicht 200 mit ersten Bereichen 316 und zweiten Bereichen 318 von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp umfassen, welche abwechselnd längs einer lateralen Richtung angeordnet sind. Gemäß dem Ausführungsbeispiel, wie in 3 gezeigt, können der erste Anschluss 312 und der zweite Anschluss 314 in der Polysiliziumschicht 300 den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die ersten Bereiche 316 haben.The electrostatic discharge protection structure 310 may comprise a series connection of at least one polysilicon diode. As in 3 is shown, the electrostatic discharge protection structure 310 a polysilicon layer 300 on the first insulation layer 200 with first areas 316 and second areas 318 of opposite conductivity type arranged alternately along a lateral direction. According to the embodiment, as in 3 shown, the first connection 312 and the second connection 314 in the polysilicon layer 300 the same conductivity type as the first ranges 316 to have.
In Einzelheiten kann die elektrostatische Entladungsschutzstruktur 310 durch Bilden der Polysiliziumschicht 300 eines ersten Leitfähigkeitstyps auf der ersten Isolationsschicht 200 hergestellt werden. Nach Bilden der Polysiliziumschicht 300 wird eine Maskenschicht (nicht gezeigt), beispielsweise eine Hartmaskenschicht oder eine Resistschicht, auf der Polysiliziumschicht 300 gebildet und durch einen Lithographieprozess gemustert bzw. strukturiert, so dass die zweiten Bereiche 318 nicht durch die Maskenschicht bedeckt sind. In einem folgenden Implantationsprozess werden Dotierstoffe eines zweiten Leitfähigkeitstyps in die freiliegenden zweiten Bereiche 318 eingebracht, die nicht durch die Maskenschicht auf der Polysiliziumschicht 300 bedeckt sind, um die zweiten Bereiche 318 des zweiten Leitfähigkeitstyps zu bilden. Somit umfasst jeder der ersten Bereiche 316 und der zweiten Bereiche 318 erste Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps, und die zweiten Bereiche 318 umfassen weiterhin zweite Dotierstoffe des zweiten Leitfähigkeitstyps, die die ersten Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps überkompensieren. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann jeder der ersten Bereiche 316 erste Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps umfassen, und die zweiten Bereiche 318 können nur zweite Dotierstoffe des zweiten Leitfähigkeitstyps umfassen, ohne die ersten Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps überzukompensieren. Hier werden jeweils die ersten Dotierstoffe in die ersten Bereiche 316 und die zweiten Dotierstoffe in die zweiten Bereiche 318 in einem getrennten Prozess, beispielsweise durch Ionenimplantation und/oder Diffusion, eingebracht, wobei überlappende Bereiche zwischen den ersten und zweiten Bereichen 316, 318 erste und zweite Dotierstoffe aufgrund von Diffusion der Dotierstoffe umfassen können.In detail, the electrostatic discharge protection structure 310 by forming the polysilicon layer 300 a first conductivity type on the first insulating layer 200 getting produced. After forming the polysilicon layer 300 becomes a mask layer (not shown) such as a hard mask layer or a resist layer on the polysilicon layer 300 formed and patterned by a lithography process, so that the second areas 318 not covered by the mask layer. In a subsequent implantation process, dopants of a second conductivity type will be exposed in the exposed second regions 318 not introduced through the mask layer on the polysilicon layer 300 are covered to the second areas 318 of the second conductivity type. Thus, each of the first areas includes 316 and the second areas 318 first dopants of the first conductivity type, and the second regions 318 further comprise second dopants of the second conductivity type that overcompensate the first dopants of the first conductivity type. In another embodiment, each of the first areas 316 first dopants of the first conductivity type, and the second regions 318 may only comprise second dopants of the second conductivity type without overcompensating the first dopants of the first conductivity type. Here in each case the first dopants in the first areas 316 and the second dopants in the second regions 318 in a separate process, for example by ion implantation and / or diffusion, with overlapping regions between the first and second regions 316 . 318 may include first and second dopants due to diffusion of the dopants.
Als ein Ergebnis wird eine Polysiliziumdiodenkette oder -band gebildet, das in einer lateralen Richtung mit abwechselnden pn-Übergängen (Dioden) an den Bereichsgrenzen der ersten und zweiten Bereiche in der Polysiliziumschicht 300 angeordnet ist. In einem Ausführungsbeispiel sind die Dotierungskonzentrationen der Bereiche derart angepasst, dass eine Reihenverbindung von Zenerdioden in der Polysiliziumschicht 300 gebildet wird. Durch die Anzahl der aufeinanderfolgenden Dioden, deren jede einen ersten Bereich 316 und einen zweiten Bereich 318 umfasst, kann die Durchbruchspannung der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 eingestellt werden.As a result, a polysilicon diode string or band is formed in a lateral direction with alternating pn-junctions (diodes) at the region boundaries of the first and second regions in the polysilicon layer 300 is arranged. In one embodiment, the doping concentrations of the regions are adapted such that a series connection of Zener diodes in the polysilicon layer 300 is formed. By the number of consecutive diodes, each of which has a first range 316 and a second area 318 includes, the breakdown voltage of the electrostatic discharge protection structure 310 be set.
Die auf die erste Isolationsschicht 200 aufgetragene oder abgeschiedene Polysiliziumschicht 300 kann eine große Kornabmessung von Polysilizium haben. Somit kann die laterale Abmessung der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310, die eine Poly-Zenerdiodenkette umfasst, beispielsweise in einem Bereich von 1 µm bis 10 µm oder 3 µm bis 5 µm sein. Durch Ausdehnen bzw. Erstrecken der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 über eine Vielzahl von Korngrenzen der aufgetragenen Polysiliziumschicht 300 wird eine stabile Durchbruchkennlinie bzw. -eigenschaft der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 vorgesehen. Eine Vielzahl von Korngrenzen innerhalb der Polysiliziumschicht 300 kann zu einer Elektronenbeweglichkeit in einem Bereich von 1 cm2/Vs bis 5 cm2/Vs führen. Im Fall eines Verbesserns der körnigen Struktur der Polysiliziumschicht 300 kann die Elektronenbeweglichkeit bis 50 cm2/Vs aufgrund von weniger Korngrenzen innerhalb der Polysiliziumschicht 300 gesteigert werden. Eine weitere Verbesserung kann durch Auftragen bzw. Abscheiden von amorphem Silizium, gefolgt durch einen Laserschmelzprozess, erzielt werden. Ein derartiges polykristallines Silizium wird Niedertemperatur-Polysilizium (LTPS) genannt. Die Elektronenbeweglichkeit des Niedertemperatur-Polysiliziums ist in einem Bereich von 100 cm2/Vs bis 700 cm2/Vs.The on the first insulation layer 200 coated or deposited polysilicon layer 300 may have a large grain size of polysilicon. Thus, the lateral dimension of the electrostatic discharge protection structure 310 which comprises a poly Zener diode chain, for example, in a range of 1 micron to 10 microns or 3 microns to 5 microns. By expanding the electrostatic discharge protection structure 310 over a plurality of grain boundaries of the deposited polysilicon layer 300 becomes a stable breakdown characteristic of the electrostatic discharge protection structure 310 intended. A variety of grain boundaries within the polysilicon layer 300 can lead to an electron mobility in a range of 1 cm 2 / Vs to 5 cm 2 / Vs. In the case of improving the granular structure of the polysilicon layer 300 For example, electron mobility can be up to 50 cm 2 / Vs due to fewer grain boundaries within the polysilicon layer 300 be increased. Further improvement can be achieved by depositing amorphous silicon followed by a laser melting process. Such polycrystalline silicon is called low-temperature polysilicon (LTPS). The electron mobility of the low-temperature polysilicon is in a range of 100 cm 2 / Vs to 700 cm 2 / Vs.
Sogar höhere Elektronenbeweglichkeiten können durch polykristallines Silizium erzielt werden, das sogar größere Korngrenzenabmessungen hat. Ein Beispiel eines derartigen polykristallinen Siliziums ist Silizium mit einheitlicher Korngröße (CGS, Continuous Grain Silicon), das zu einer Elektronenbeweglichkeit in einem Bereich von 500 cm2/Vs bis 700 cm2/Vs führt. Durch Vorsehen von Silizium mit einheitlicher Korngröße innerhalb der Polysiliziumschicht 300 können Elektronenbeweglichkeiten erreicht werden, die vergleichbar sind mit denjenigen innerhalb des Volumen- bzw. Blockbereiches des Halbleiterkörpers 100.Even higher electron mobilities can be achieved by polycrystalline silicon, which has even larger grain boundary dimensions. An example of such polycrystalline silicon is CGS (Continuous Grain Silicon), which results in electron mobility in the range of 500 cm 2 / Vs to 700 cm 2 / Vs. By providing silicon of uniform grain size within the polysilicon layer 300 Electron mobilities can be achieved which are comparable to those within the volume or block region of the semiconductor body 100 ,
Die Polysiliziumschicht 300 kann so wenigstens ein Material aus Niedertemperatur-Polysilizium (LTPS) und Silizium mit einheitlicher Korngröße (CGS) aufweisen.The polysilicon layer 300 So at least one material from low-temperature Polysilicon (LTPS) and uniform grain size silicon (CGS).
Die Länge der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 jeweils zwischen dem ersten Anschluss 312 und dem zweiten Anschluss 314 kann im Bereich von 5 µm bis 150 µm oder 20 µm bis 50 µm sein. Ein Gebiet bzw. eine Fläche der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 gemäß 2A und 2B und 3 bis 5 kann in einem Bereich von 100 µm × 50 µm × 2 = 10000 µm2 sein, indem eine kleine Gatekissenlänge bzw. Gatepadlänge von 100 µm, eine elektrostatische Entladungsschutzstruktur 310 auf zwei orthogonalen Seiten (2A) oder symmetrisch auf zwei entgegengesetzten Seiten (2B) des Gatekissens bzw. -pads vorgesehen wird. Das Gebiet bzw. die Fläche der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 kann bis zu 500 µm × 50 µm × 2 = 50000 µm2 oder bis zu 1000 µm × 50 µm × 2 - 100.000 µm2 betragen, indem eine große Gatepadlänge von 1000 µm vorgesehen wird. Das Gebiet bzw. die Fläche der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 vergrößert nicht das gesamte Chipgebiet bzw. die gesamte Chipfläche, da die Diode zwischen und teilweise unter dem Metall aufgebaut ist.The length of the electrostatic discharge protection structure 310 each between the first port 312 and the second port 314 may be in the range of 5 μm to 150 μm or 20 μm to 50 μm. An area of the electrostatic discharge protection structure 310 according to 2A and 2 B and 3 to 5 may be in a range of 100 μm × 50 μm × 2 = 10000 μm 2 , by a small gate pad length of 100 μm, an electrostatic discharge protection structure 310 on two orthogonal pages ( 2A) or symmetrically on two opposite sides ( 2 B) the gate pad is provided. The area of the electrostatic discharge protection structure 310 can be up to 500 microns x 50 microns x 2 = 50000 microns 2 or up to 1000 microns x 50 microns x 2-100000 microns 2 be by a large Gatepadlänge is provided of 1000 microns. The area of the electrostatic discharge protection structure 310 does not increase the entire chip area or the entire chip area, since the diode is constructed between and partially under the metal.
Unter der Annahme eines Durchbruchstromes von 1 mA je µm an Diodenbreite kann eine Robustheit der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 hinsichtlich HBM- (Human Body Model bzw. Mensch-Körper-Modell) Tests in einem Bereich von 300 V bis 3 kV sein.Assuming a breakdown current of 1 mA per μm of diode width, robustness of the electrostatic discharge protection structure can be achieved 310 in terms of HBM (Human Body Model) tests in a range of 300 V to 3 kV.
Das Gebiet bzw. die Fläche der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 kann geeignet gewählt werden, um Energie abzuführen bzw. zu verbrauchen, die durch ein elektrostatisches Entladungsereignis (ESD-Ereignis) zwischen der ersten Elektrode 500 und der zweiten Elektrode 600 verursacht ist.The area of the electrostatic discharge protection structure 310 may be suitably selected to dissipate energy due to an electrostatic discharge event (ESD event) between the first electrode 500 and the second electrode 600 caused.
Die erste Elektrode 500 ist elektrisch mit dem ersten Anschluss 312 der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 über eine erste Kontaktstruktur 510 gekoppelt, und die zweite Elektrode 600 ist mit dem zweiten Anschluss 314 der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 über eine zweite Kontaktstruktur 610 gekoppelt. Die Wärmeverbrauchs- bzw. - abfuhrstruktur 700 erstreckt sich durch die zweite Isolationsschicht 400, wobei das erste Ende 701 in Kontakt mit der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 ist und das zweite Ende 702 nicht in direktem elektrischem Kontakt mit irgendeinem Leitungsbereich, wie der ersten Elektrode 500 oder der zweiten Elektrode 600, ist. Wie in den 3 bis 5 gezeigt ist, ist das zweite Ende 702 in direktem Kontakt mit einem elektrisch isolierenden Bereich, der durch die Passivierungsschicht 800 gebildet ist, die die zweite Isolationsschicht 400 bedeckt. Das zweite Ende 702 ist so elektrisch von dem ersten Anschluss 312 und dem zweiten Anschluss 314 isoliert, sofern die Verbindung des zweiten Endes 702 zu den ersten und zweiten Anschlüssen 312, 314 über das erste Ende 701 der Wärmeverbrauchsstruktur 700 und die elektrostatische Entladungsschutzstruktur 310 nicht berücksichtigt wird. Mit anderen Worten, es gibt keinen weiteren leitenden Pfad von dem zweiten Ende 702 zu den ersten und zweiten Anschlüssen 312, 314 mit Ausnahme des leitenden Pfades über das erste Ende 701 und die elektrostatische Entladungsschutzstruktur 310. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Wärmeverbrauchsstruktur 700 in einen elektrisch isolierenden Bereich eingebettet sein, der durch die zweite Isolationsschicht 400 und die Passivierungsschicht 800 gebildet ist, wobei lediglich das erste Ende 701 der Wärmeverbrauchsstruktur 700 in direktem elektrischem Kontakt mit der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 ist.The first electrode 500 is electric with the first connection 312 the electrostatic discharge protection structure 310 via a first contact structure 510 coupled, and the second electrode 600 is with the second connection 314 the electrostatic discharge protection structure 310 via a second contact structure 610 coupled. The heat dissipation structure 700 extends through the second insulation layer 400 , where the first end 701 in contact with the electrostatic discharge protection structure 310 is and the second end 702 not in direct electrical contact with any line area, such as the first electrode 500 or the second electrode 600 , is. As in the 3 to 5 shown is the second end 702 in direct contact with an electrically insulating region passing through the passivation layer 800 is formed, which is the second insulation layer 400 covered. The second end 702 is so electric from the first port 312 and the second port 314 isolated, provided the connection of the second end 702 to the first and second terminals 312 . 314 over the first end 701 the heat consumption structure 700 and the electrostatic discharge protection structure 310 is not considered. In other words, there is no further conductive path from the second end 702 to the first and second terminals 312 . 314 with the exception of the conductive path over the first end 701 and the electrostatic discharge protection structure 310 , According to an embodiment, the heat consumption structure 700 embedded in an electrically insulating region passing through the second insulating layer 400 and the passivation layer 800 is formed, with only the first end 701 the heat consumption structure 700 in direct electrical contact with the electrostatic discharge protection structure 310 is.
Die Wärmeverbrauchsstruktur 700, die erste Kontaktstruktur 510 und die zweite Kontaktstruktur 610 können gleichzeitig durch Bilden von Trenches bzw. Gräben 430 in der zweiten Isolationsschicht 400 und Füllen derselben mit einem elektrisch und thermisch leitenden Material, wie Polysilizium oder einem metallischen Material, gebildet werden. Somit können die Wärmeverbrauchsstruktur 700, die erste Kontaktstruktur 510 und die zweite Kontaktstruktur 610 das gleiche Material aufweisen. Das metallische bzw. Metallmaterial der Wärmeverbrauchsstruktur 700, der ersten Kontaktstruktur 510 und der zweiten Kontaktstruktur 610 kann beispielsweise Wolfram umfassen.The heat consumption structure 700 , the first contact structure 510 and the second contact structure 610 can simultaneously by forming trenches or trenches 430 in the second insulation layer 400 and filling them with an electrically and thermally conductive material, such as polysilicon or a metallic material. Thus, the heat consumption structure 700 , the first contact structure 510 and the second contact structure 610 have the same material. The metallic or metal material of the heat consumption structure 700 , the first contact structure 510 and the second contact structure 610 may include, for example, tungsten.
Die Wärmeverbrauchsstruktur 700 kann eine zylindrische Form oder eine spitz zulaufende bzw. kegelförmige Gestalt haben, wie dies in 3 gezeigt ist. Die Wärmeverbrauchsstruktur 700 kann sich auch in einer lateralen Richtung längs der Grenze der ersten Elektrode 500 und/oder der zweiten Elektrode 600 erstrecken (vgl. 2A und 2B). Beide möglichen Anordnungen der Wärmeverbrauchsstruktur 700 sind in 2A veranschaulicht. Weitere Reihen von Wärmeverbrauchs- bzw. -abfuhrelementen können vorgesehen sein, wie dies beispielsweise in 5A gezeigt ist, welche weiter unten in Einzelheiten erläutert wird.The heat consumption structure 700 may have a cylindrical shape or a conical shape, as in 3 is shown. The heat consumption structure 700 may also be in a lateral direction along the boundary of the first electrode 500 and / or the second electrode 600 extend (cf. 2A and 2 B) , Both possible arrangements of the heat consumption structure 700 are in 2A illustrated. Further rows of heat-consuming or -abfuhrelementen can be provided, as for example in 5A is shown, which will be explained in detail below.
Die gleichzeitige Bildung der ersten und zweiten Kontaktstrukturen 510 und 610 zusammen mit der Wärmeverbrauchsstruktur 700 innerhalb sich durch die zweite Isolationsschicht 400 erstreckender Trenches 430 führt zu einem vorteilhaften Herstellungsprozess. Wenn die erste Elektrode 500 und die zweite Elektrode 600 auf der zweiten Isolationsschicht 400 gebildet werden, um jeweils mit der ersten Kontaktstruktur 510 und der zweiten Kontaktstruktur 610 elektrisch gekoppelt zu sein, sind die Bodenseite 501 der ersten Elektrode 500 und die Bodenseite 601 der zweiten Elektrode 600 auf einem gleichen vertikalen Pegel wie das zweite Ende 702 der Wärmeabfuhrstruktur 700. Das zweite Ende 702 der Wärmeabfuhrstruktur 700 kann mit der oberen Oberfläche 402 der zweiten Isolationsschicht 400 fluchten, falls die zweite Isolationsschicht 400 eine planarisierte obere Oberfläche bzw. Oberseite 402 hat.The simultaneous formation of the first and second contact structures 510 and 610 together with the heat consumption structure 700 within itself through the second insulation layer 400 extending trenches 430 leads to an advantageous manufacturing process. When the first electrode 500 and the second electrode 600 on the second insulation layer 400 be formed to each with the first contact structure 510 and the second contact structure 610 Being electrically coupled are the bottom side 501 the first electrode 500 and the bottom side 601 the second electrode 600 at the same vertical level as the second end 702 the heat dissipation structure 700 , The second end 702 the heat dissipation structure 700 can with the upper surface 402 the second insulation layer 400 aligned, if the second insulation layer 400 a planarized top surface 402 Has.
Die erste Kontaktstruktur 510, die zweite Kontaktstruktur 610 und die Wärmeabfuhrstruktur 700 können durch den folgenden Prozess gebildet sein. Zunächst werden Trenches 430 innerhalb der zweiten Isolationsschicht 400, beispielsweise durch einen anisotropen Ätzprozess, gebildet. Danach wird ein elektrisch und thermisch leitendes Material auf der zweiten Isolationsschicht 400 aufgetragen, um die Trenches 430 mit dem elektrisch und thermisch leitenden Material zu füllen. Das elektrisch und thermisch leitende Material auf der oberen Oberfläche der zweiten Isolationsschicht 400 kann durch einen Planarisierungsprozess, beispielsweise einen chemischmechanischen Polier-(CMP-)Prozess entfernt werden. Durch diesen Prozess wird eine planarisierte obere Oberfläche 402 der zweiten Isolationsschicht 400 gebildet mit ersten und zweiten Kontaktstrukturen 510, 610 und der Wärmeverbrauchsstruktur 700. Das zweite Ende 702 der Wärmeverbrauchsstruktur 700 kann in direktem Kontakt mit der Passivierungsschicht 800 sein, die die erste Elektrode 500, die zweite Isolationsschicht 400 und die zweite Elektrode 600 bedeckt.The first contact structure 510 , the second contact structure 610 and the heat dissipation structure 700 can be formed by the following process. First, trenches 430 within the second insulation layer 400 , formed for example by an anisotropic etching process. Thereafter, an electrically and thermally conductive material on the second insulating layer 400 applied to the trenches 430 to fill with the electrically and thermally conductive material. The electrically and thermally conductive material on the upper surface of the second insulating layer 400 can be removed by a planarization process, such as a chemical mechanical polishing (CMP) process. This process becomes a planarized top surface 402 the second insulation layer 400 formed with first and second contact structures 510 . 610 and the heat consumption structure 700 , The second end 702 the heat consumption structure 700 can be in direct contact with the passivation layer 800 be the first electrode 500 , the second insulation layer 400 and the second electrode 600 covered.
Die zwischen die erste Isolationsschicht 200 und die zweite Isolationsschicht 400 eingebettete elektrostatische Entladungsschutzstruktur 310 hat eine hohe thermische Impedanz aufgrund der thermischen Isolation durch Materialien wie PSG, TEOS, Polyoxid oder Feldoxide. Weiterhin kann die Dicke der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 längs einer vertikalen Richtung kleiner als 1 µm sein. Die Dicke der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 ist begrenzt durch die maximale Tiefe einer Ionenimplantation und ein maximales thermisches Prozessierungsbudget zum Erzielen von hochdotierten pn-Übergängen, um die zweiten Bereiche 318 mit Dotierstoffen des zweiten Leitfähigkeitstyps, wie Bor zu bilden, wobei die ersten Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps, wie Phosphor, überkompensiert werden. Somit kann die Dicke der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 in einem Bereich von 200 nm bis 1000 nm oder in einem Bereich von 300 nm bis 600 nm als Beispiel sein. Aufgrund der kleinen Dicke der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 im Vergleich mit deren lateralen Abmessungen ist die flüchtige bzw. kurzzeitige thermische Kapazität, d.h. die thermische Kapazität, die kurze thermische Verbrauchsspitzen puffern kann, niedrig, was zu einer Verschlechterung der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 oder weiteren Schädigungen der Halbleitervorrichtung 10 führen kann.The between the first insulation layer 200 and the second insulation layer 400 embedded electrostatic discharge protection structure 310 has high thermal impedance due to thermal insulation by materials such as PSG, TEOS, polyoxide or field oxides. Furthermore, the thickness of the electrostatic discharge protection structure 310 be less than 1 micron along a vertical direction. The thickness of the electrostatic discharge protection structure 310 is limited by the maximum depth of ion implantation and a maximum thermal processing budget to achieve highly doped pn junctions around the second regions 318 with dopants of the second conductivity type, such as boron, wherein the first dopants of the first conductivity type, such as phosphorus, are overcompensated. Thus, the thickness of the electrostatic discharge protection structure 310 in a range of 200 nm to 1000 nm or in a range of 300 nm to 600 nm by way of example. Due to the small thickness of the electrostatic discharge protection structure 310 In comparison with their lateral dimensions, the short-term thermal capacity, ie, the thermal capacity capable of buffering short thermal consumption peaks, is low, resulting in deterioration of the electrostatic discharge protection structure 310 or further damage to the semiconductor device 10 can lead.
Aufgrund des Vorsehens der Wärmeverbrauchsstruktur 700 ist die thermische Kapazität der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 erhöht. Eine Dicke der Wärmeverbrauchsstruktur 700 längs einer lateralen Richtung (sich von dem ersten Anschluss 312 zu dem zweiten Anschluss 314 der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 erstreckend) kann in einem Bereich von 100 nm bis 3000 nm sein, und eine Dicke der Wärmeverbrauchsstruktur 700 längs einer vertikalen Richtung kann in einem Bereich von 1000 nm bis 2000 nm sein.Due to the provision of the heat consumption structure 700 is the thermal capacity of the electrostatic discharge protection structure 310 elevated. A thickness of the heat consumption structure 700 along a lateral direction (extending from the first port 312 to the second port 314 the electrostatic discharge protection structure 310 extending) may be in a range of 100 nm to 3000 nm, and a thickness of the heat consumption structure 700 along a vertical direction may be in a range of 1000 nm to 2000 nm.
Somit kann ein Verhältnis einer Dicke der Wärmeverbrauchsstruktur 700 längs einer vertikalen Richtung und eine Dicke der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur längs einer vertikalen Richtung größer sein als 1, größer sein als 2, größer sein als 3 oder größer sein als 10. Durch Vorsehen der Wärmeverbrauchsstruktur 700 ist die für die thermische Kapazität relevante effektive Dicke vergrößert, was zu einer verbesserten elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 mit gesteigerter thermischer Robustheit führt.Thus, a ratio of a thickness of the heat consumption structure 700 along a vertical direction and a thickness of the electrostatic discharge protection structure along a vertical direction are greater than 1, greater than 2, greater than 3, or greater than 10. By providing the heat dissipation structure 700 the effective thickness relevant to the thermal capacitance is increased, resulting in an improved electrostatic discharge protection structure 310 with increased thermal robustness leads.
Die Wärmeverbrauchsstruktur 700 und die ersten und zweiten Kontaktstrukturen 510, 610 können gleichzeitig gebildet werden und können das gleiche Material umfassen. Die Wärmeverbrauchsstruktur 700 und die ersten und zweiten Kontaktstrukturen 510, 610 können jedoch verschiedene Materialien umfassen, wobei die ersten und zweiten Kontaktstrukturen 510, 610 ein Material eines hohen elektrischen Leitwerts und die Wärmeverbrauchsstruktur 700 ein Material eines hohen thermischen Leitwerts ungeachtet des elektrischen Leitwerts umfassen können. Beispielsweise kann die Wärmeverbrauchsstruktur 700 isolierende Materialien mit einer hohen spezifischen Wärme, wie keramische Komponenten mit beispielsweise Aluminiumoxid Al2O3, umfassen. Aluminium hat eine höhere spezifische Wärme als Silizium zusammen mit einer guten Leitfähigkeit.The heat consumption structure 700 and the first and second contact structures 510 . 610 can be formed at the same time and can include the same material. The heat consumption structure 700 and the first and second contact structures 510 . 610 however, they may include various materials, with the first and second contact structures 510 . 610 a material of high electrical conductivity and the heat consumption structure 700 may include a material of high thermal conductance regardless of the electrical conductance. For example, the heat consumption structure 700 high specific heat insulating materials, such as ceramic components with, for example, aluminum oxide Al 2 O 3 . Aluminum has a higher specific heat than silicon together with a good conductivity.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Wärmeverbrauchsstruktur 700 Polysilizium des ersten Leitfähigkeitstyps, beispielsweise eines n-Typs, und kann in Kontakt mit einem ersten Bereich 316 der Polysilizium-Diodenkette sein, der von einem ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n-Typ, ist. Somit ist ein ausgedehnter Bereich der Polysilizium-Diodenkette vorgesehen, welcher einen der ersten Bereiche 316 zusammen mit der Wärmeverbrauchsstruktur 700 umfasst, die den gleichen Leitfähigkeitstyp hat und die eine niedrige thermische Impedanz aufweist.In one embodiment, the heat consumption structure comprises 700 Polysilicon of the first conductivity type, for example, an n-type, and may be in contact with a first region 316 of the polysilicon diode chain which is of a first conductivity type, for example n-type. Thus, an extended region of the polysilicon diode chain is provided, which is one of the first regions 316 together with the heat consumption structure 700 which has the same conductivity type and which has a low thermal impedance.
Die Wärmeverbrauchsstrukturen 700 können an die obere Oberfläche 302 der Polysiliziumschicht 300 mit ihren ersten Enden 701 angrenzen. Die Wärmeverbrauchsstruktur 700 kann auch einen Teil der oberen Oberfläche 302 der Polysiliziumschicht 300 durchdringen oder kann vollständig die Polysiliziumschicht 300 durchdringen. Die Dicke der zweiten Isolationsschicht kann in einem Bereich von 1 µm bis 4 µm oder in einem Bereich von 2 µm bis 3 µm sein. Die zweite Isolationsschicht 400 kann weiterhin eine Siliziumnitridschicht oder eine Nitrid enthaltende Siliziumoxidschicht umfassen, wobei die Dicke längs der vertikalen Richtung in einem Bereich von 30 nm bis 750 nm ist. Durch Vorsehen einer derartigen Schicht wird die thermische Leitfähigkeit weiter gesteigert.The heat consumption structures 700 can touch the top surface 302 the polysilicon layer 300 with their first ends 701 adjoin. The heat consumption structure 700 can also be a part of the upper surface 302 the polysilicon layer 300 penetrate or can completely the polysilicon layer 300 penetrate. The thickness of the second insulating layer may be in a range of 1 μm to 4 μm or in a range of 2 μm to 3 μm. The second insulation layer 400 may further comprise a silicon nitride layer or a nitride-containing silicon oxide layer, wherein the thickness along the vertical direction is in a range of 30 nm to 750 nm. By providing such a layer, the thermal conductivity is further increased.
Das Kontaktgebiet der Wärmeverbrauchsstruktur 700 an ihrem ersten Ende 301, das in Kontakt mit einem der ersten oder zweiten Bereiche 316, 318 ist, hat eine derartige Form, dass zwei benachbarte erste und zweite Bereiche 316, 318 nicht durch die Wärmeverbrauchsstruktur 700 nebengeschlossen sind.The contact area of the heat consumption structure 700 at her first end 301 that is in contact with one of the first or second areas 316 . 318 is, has such a shape that two adjacent first and second areas 316 . 318 not by the heat consumption structure 700 are shunted.
4 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles der Halbleitervorrichtung 10 längs einer Schnittebene A-A' von 2A oder 2B gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel. Diejenigen Merkmale des Ausführungsbeispiels von 4, die ähnlich zu den Merkmalen des Ausführungsbeispiels von 3 sind, werden nicht wieder beschrieben, und es wird Bezug genommen auf die oben gegebenen Einzelheiten. 4 FIG. 12 is a schematic sectional view of a part of the semiconductor device. FIG 10 along a cutting plane A-A ' from 2A or 2 B according to another embodiment. Those features of the embodiment of 4 similar to the features of the embodiment of 3 are not described again, and reference is made to the details given above.
Wie aus 4 ersehen werden kann, ist der Bodenteil der Trenches 430, der in direktem Kontakt mit der Polysiliziumschicht 300 ist, mit einer Metallsilizidschicht 705 ausgekleidet. Die Metallsilizidschicht 705 kann durch Auftragen bzw. Abscheiden einer die inneren Seitenwände der Trenches 403 auskleidenden Metallschicht gebildet werden und kann durch einen Silizierungsprozess gefolgt werden. Die Wärmeverbrauchsstruktur 700 kann so die Metallsilizidschicht 705 umfassen, die in Kontakt mit der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 ist. Die Dicke der Metallschicht kann in einem Bereich von 20 nm bis 60 nm oder 40 nm bis 50 nm sein. Das metallische bzw. Metallmaterial kann wenigstens ein Material aus Titan, Wolfram oder dergleichen sein. Die ersten und zweiten Anschlüsse 312, 314 und die ersten Bereiche 316, die in Kontakt mit der Metallsilizidschicht 705 sind, können vom zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise p-Typ, sein, und die zweiten Bereiche 318 können vom ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n-Typ, sein. Die Breite längs einer lateralen Richtung der Trenches 430 kann in einem Bereich von 100 nm bis 3000 nm sein, die Tiefe längs einer vertikalen Richtung der Trenches 430 kann in einem Bereich von 1000 nm bis 2000 nm oder in einem Bereich von 1400 nm bis 1600 nm sein. Die Trenches 430, die das Metallsilizid als eine optionale Schicht haben, welche die Si-Oberflächen der Trenches 430 zusammen mit einem optionalen Barrierestapel, beispielsweise TiN, auskleidet, können mit Polysilizium oder einem metallischen Material, wie beispielsweise Wolfram, Al, AlSi, AlCu, Cu, gefüllt sein.How out 4 can be seen is the bottom part of the trenches 430 which is in direct contact with the polysilicon layer 300 is, with a metal silicide layer 705 lined. The metal silicide layer 705 By applying or depositing one of the inner side walls of the trenches 403 lining metal layer can be formed and can be followed by a silicization process. The heat consumption structure 700 so can the metal silicide layer 705 which are in contact with the electrostatic discharge protection structure 310 is. The thickness of the metal layer may be in a range of 20 nm to 60 nm or 40 nm to 50 nm. The metallic material may be at least one of titanium, tungsten or the like. The first and second connections 312 . 314 and the first areas 316 in contact with the metal silicide layer 705 may be of the second conductivity type, for example p-type, and the second regions 318 may be of the first conductivity type, for example n-type. The width along a lateral direction of the trenches 430 may be in a range of 100 nm to 3000 nm, the depth along a vertical direction of the trenches 430 may be in a range of 1000 nm to 2000 nm or in a range of 1400 nm to 1600 nm. The trenches 430 having the metal silicide as an optional layer, which is the Si surfaces of the trenches 430 Coated with an optional barrier stack, such as TiN, may be filled with polysilicon or a metallic material, such as tungsten, Al, AlSi, AlCu, Cu.
Die 5A bis 5C sind schematische Schnittdarstellungen eines Teiles einer Halbleitervorrichtung 10 längs einer Schnittebene A-A' der 2A oder 2B gemäß weiteren Ausführungsbeispielen. Diejenigen Merkmale der Ausführungsbeispiele der 5A bis 5C, die ähnlich zu den Merkmalen der Ausführungsbeispiele der 3 und 4 sind, werden nicht wieder beschrieben, und es wird Bezug genommen auf die oben gegebenen Einzelheiten.The 5A to 5C FIG. 4 are schematic sectional views of a part of a semiconductor device. FIG 10 along a sectional plane AA 'of 2A or 2 B according to further embodiments. Those features of the embodiments of the 5A to 5C similar to the features of the embodiments of 3 and 4 are not described again, and reference is made to the details given above.
Wie aus der 5A ersehen werden kann, umfasst die Wärmeverbrauchsstruktur 700 wenigstens zwei Wärmeverbrauchs- bzw. - abfuhrelemente 710, die elektrisch voneinander isoliert sind. Die Wärmeverbrauchselemente 710 sind jeweils in Kontakt mit lediglich einem der ersten und zweiten Bereiche 316, 318, um ein Nebenschließen von zwei benachbarten ersten und zweiten Bereichen 316, 318 durch ein Wärmeverbrauchselement 710 zu verhindern. Die Wärmeverbrauchselemente 710 können Polysilizium oder ein Metall, wie Wolfram, umfassen und können in Kontakt mit wenigstens zwei der ersten Bereiche 316 sein. Falls die Wärmeverbrauchselemente 710 Polysilizium aufweisen, können die Wärmeverbrauchselemente 710 und die ersten Bereiche 316 den gleichen Leitfähigkeitstyp haben. Die Wärmeverbrauchselemente 710 können das gleiche Material wie die ersten und zweiten Kontaktstrukturen 510, 610 aufweisen und können gleichzeitig gebildet werden. Wie in 5A gezeigt ist, können die Wärmeverbrauchselemente 710 in Kontakt mit allen ersten Bereichen 316 sein, um eine hohe thermische flüchtige bzw. transiente Impedanz der Wärmeverbrauchsstruktur 700 zu erreichen.Like from the 5A can be seen, includes the heat consumption structure 700 at least two heat dissipation elements 710, which are electrically isolated from each other. The heat consumption elements 710 are each in contact with only one of the first and second areas 316 . 318 to shunt two adjacent first and second areas 316 . 318 by a heat-consuming element 710 to prevent. The heat consumption elements 710 may include polysilicon or a metal, such as tungsten, and may be in contact with at least two of the first regions 316 his. If the heat consuming elements 710 Having polysilicon, the heat consuming elements 710 and the first areas 316 have the same conductivity type. The heat consumption elements 710 can be the same material as the first and second contact structures 510 . 610 and can be formed simultaneously. As in 5A can be shown, the heat consumption elements 710 in contact with all the first areas 316 be high thermal transient impedance of the heat dissipation structure 700 to reach.
Wie in 5B gezeigt ist, können die Wärmeverbrauchselemente 710 in Kontakt mit allen zweiten Bereichen 318 sein. Die Wärmeverbrauchselemente 710 und die zweiten Bereiche 318 können von entgegengesetzten Leitfähigkeitstypen oder von dem gleichen Leitfähigkeitstyp sein.As in 5B can be shown, the heat consumption elements 710 in contact with all second areas 318 his. The heat consumption elements 710 and the second areas 318 may be of opposite conductivity types or of the same conductivity type.
Wie im Ausführungsbeispiel von 5C gezeigt ist, sind die Wärmeverbrauchselemente 710 in Kontakt mit allen ersten Bereichen 316 und zweiten Bereichen 318, um so die thermische flüchtige bzw. transiente Kapazität der Wärmeverbrauchsstruktur 700 zu maximieren.As in the embodiment of 5C is shown are the heat consuming elements 710 in contact with all the first areas 316 and second areas 318 so as to increase the thermal transient capacitance of the heat dissipation structure 700 to maximize.
Durch Vorsehen der Halbleitervorrichtung 10 sind die elektrischen und thermischen Eigenschaften einer in Kaskade gebildeten Polysiliziumdiode verbessert durch Vorsehen von Polysilizium oder Metallstöpseln, die in Kontakt mit der Polysiliziumdiode an ihren unteren Seiten sind und an ihren oberen Seiten nicht verbunden sind. Die Wärmekapazität der sich ergebenden Struktur ist so gesteigert. Die verbesserten Eigenschaften der elektrostatischen Entladungsschutzstruktur 310 erlauben es, ESD-Ereignissen mit höherer Entladungsimpulsenergie zu widerstehen. Eine weitere Verbesserung der ESD-Spitzenrobustheit wird erzielt durch Reduzieren des differenziellen Bahnwiderstandes der Diodenkette. Die elektrostatische Entladungsschutzstruktur 310 kann auch in Halbleitervorrichtungen verwendet werden, die eine Mehrschichtverdrahtung für integrierte Schaltungen haben.By providing the semiconductor device 10 For example, the electrical and thermal properties of a cascade-formed polysilicon diode are improved by providing polysilicon or metal plugs which are in contact with the polysilicon diode at their lower sides and are not connected at their upper sides. The heat capacity of the resulting structure is thus increased. The improved properties of the electrostatic discharge protection structure 310 allow to withstand ESD events with higher discharge pulse energy. Further improvement in ESD peak robustness is achieved by reducing the differential track resistance of the diode string. The electrostatic discharge protection structure 310 can also be used in semiconductor devices having a multilayer wiring for integrated circuits.
